沉管隧道，海浪下的天才工程

世界上最長的跨海大橋 港珠澳大橋 突然消失在海面上 來到現代海底隧道 這種隧道採用巧妙的工程技術 將不同的混凝土構建連接起來 在巨大的淨水壓力下 接縫是如何保持不漏水的 這個實驗給出了答案 我在管結結合處注滿了油 現在可以輕鬆地把它們分開 哎呀 現在用注射器抽掉一些油 哇 這些元素結合的強度驚人 同樣的原理也應用在海底 用來建造這些巨型混凝土構建 請仔細觀察 很快它們之間就會形成一個水勢 首先在新舊管結之間安裝頂推千斤頂 外部定位系統將新管結微微抬起 隨後啓動牽引千斤頂 管結開始閉合 現在可以看到 兩個構建之間存有一些水 形成了一個水槍 就像實驗那樣 只要把水抽出來 空槍裏形成的負壓 就會自動把這兩個構建壓得更緊 這些巨型混凝土構建的幾何形狀 既複雜又有趣 我希望是製造出來的 它們怎麼運輸 我們去港口參觀一下混凝土澆築設施 這裏可以是專門建造的港池 或者直接利用水邊現有的幹船塢 它們使用可重複利用的模板 而且需要大量的腳手架和支撐結構 來固定這些模板 有些模板甚至是液壓驅動的 鋼筋和模板佈置完畢之後 混凝土就會被澆灌到空槍裏面 混凝土凝固後 拆除模板 剛澆築完的這一段 長度大約是20米 但每個隧道管結 需要達到100到200米長 訣竅在於 把小型構建沿軌道向前移動 下一段澆築就在原位進行 這樣最終的隧道管結 長度分8到10個階段完成 你可以看到 它們在混凝土構建內部 建造了巨大的水箱 稍後我們會了解它們的用途 混凝土凝固後 隧道管結的兩端 會用臨時防水隔板密封起來 隧道構建準備就緒後 機坑會引入相鄰水道的水進行灌注 與此同時 內部的壓載艙也注入了部分水 部分注水的壓載艙 能穩定管結 防止不規則晃動 這些隔板 能確保隧道管結內部保持乾燥 並充滿空氣 這個混凝土管結 被設計成密封時 能浮在水面上 巧妙地運用了浮力原理 一旦浮起 這些巨大的隧道管結 就會被拖船拖出港池 管結的頂部表面 僅僅高出水面30釐米 這些構建可重達數萬噸 這些構建 現在被拖運到隧道現場 要安放這些隧道管結 海牀必須準備就緒 需要將海牀挖掘成完美的梯形 並打好堅實的地基 工程師們如何在深海中做到這一點 這些巨型挖泥船 正在執行隧道工程中最關鍵的任務 他們正在平整海牀 爲安放沉重的隧道沉管做準備 哈氏挖泥船最常用於這項作業 他們清除沉積物 把海牀挖成梯形 通常會在溝槽裏鋪一層碎石之類的顆粒材料 爲隧道打造一個平整 堅固的安放基面 隧道管結已抵達溝槽區域 巨型浮箱正等着他們 現在拖船開始把構建移交給浮箱 在沉放之前 浮箱必須精確地定位在溝槽區域的正上方 看這些細薄纜繩 密密麻麻地連接着浮桶和沉管 它們都固定在海牀上 我們製作了一個簡化的纜繩網 用來控制這個漂浮物體的位置 挺有意思的 只要拉動這些纜繩 我就能讓這個物體沿X軸方向移動 遙控至Y軸方向 拉這兩根繩子就行 拉這兩根繩子就能控制你的物體 藉助巧妙的細薄纜繩控制 構建被精準地移至最終安放位置 浮桶通過GPS和自動全站儀接收定位信號 現在它們能直接重新給壓載艙注水 把管結沉下去嗎 接下來會發生什麼 不難猜到 你可以把隧道組件懸停在放置區正上方 然後鬆手 但現實是它永遠到不了目標位置 在水裏物體的運動軌跡會變得很詭異 我們需要的是可控的進入 爲了精準控制沉放 我們再次用上了巧妙的纜索佈局 強大的液壓鋼角線千斤頂支撐着管結 即使壓載艙已注滿 何時釋放構建仍由鋼角線千斤頂決定 巧妙的纜線佈局再次引導着構建的定位 你可能會看到構建上有一些測量塔 上面裝有測量棱鏡 藉助岸上的三臺全站儀 工程師能精確測定管結的偏航角和位置 此外 這個管結還持續與岸上的基站通信 實時提供三維定位數據 實時動態GPS的應用 能將隧道管結的位置精度控制在釐米級以內 記住 沉管隧道安裝是個非常緩慢的過程 整個流程 從管結運抵現場到最終精準安裝到位 大約需要12到24個小時 可以看到 新的隧道構建正靠近之前安裝好的那一個 請特別注意這個巨大的橡膠密封件 它叫極納直水帶 拉入千斤頂就位後 極納密封圈被壓緊 形成初步的水密密封 我們之前已經看過 通過在這些艙室製造真空 來進一步緊固部件的技術 我們再回顧一下實驗 哇 這些元素以驚人的強度結合 根本弄不下來 如果你釋放油 粘合又會變弱 這意味着在釋放真空之前 必須先把它們永久粘合好 在保持負壓的狀態下 工人先在接縫處安裝歐米夾密封圈 接下來 他們澆築混凝土永久密封接縫區域 現在可以拆除隔板 壓力就會恢復正常 那麼一個有趣的問題來了 這些壓在艙裏的水該排空嗎? 不行 要是真這麼幹 浮力就會壓過重力 整條隧道都會往上浮起來 所以隧道內部才設計了這些特殊的隔艙 用來灌注混凝土 首先往這些艙室裏灌注混凝土 之後壓在艙裏的水會被排空 艙體本身也會被拆除 顯然兩個管節對接後 中間的隔板就可以拆除了 不同的隧道管節就這樣依次安裝 隧道便順利向前延伸 那最後一節呢? 當然 這個沒法按常規方式安裝 工程師用來合攏間隙的方法 叫做隧道合攏 爲此 工程師會使用一種叫做關鍵構件的特殊部件 關鍵元件有一個可展開部件 用常規方法將關鍵部件降入縫隙中 現在可展開部件啓動 這樣就形成了水泥結合 接下來工程師們抽掉隔板之間的水 從這開始就簡單多了 工人們在這些艙室裏完成剩下的工作 最後拆除四道隔板 隧道建成了 現在該用泥土回填隧道頂部了 我們目前開發的這種隧道技術 叫做沉管隧道 沉管隧道最終會呈現出它的完整形態 看着列車和汽車在這精密的隧道網絡中穿行 真是一種享受 那其他的隧道是做什麼用的 這些是維修通道 遇到緊急情況 這些門會打開 隧道工作人員就能進入主隧道 你可能見過英法海底隧道的幾何結構 那是用TBM挖的 沉管隧道比TBM隧道更好嗎 沉管隧道和頓垢隧道的選擇 完全取決於項目的具體地理條件 兩種方法各有明顯的優缺點 沉管隧道最適合潛水穿越 比如河流和港口 在深水區建造沉管隧道並不現實 而且高淨水壓力 還會對隧道構件造成結構性損壞 沉管隧道通常採用矩形截面 這樣對交通效率極高 能並排容納好幾條車道 完全不用浪費圓形隧道的空間 不過ITT會嚴重破壞環境 隧道掘進機造價極其昂貴 屬於定製設備 一臺就要數億美元 隧道掘進機可以深入地下 避開地面障礙物 而浮運和沉放巨型混凝土管結的過程 可能會導致繁忙航道長時間關閉 或嚴重受限 TBM隧道掘進在這方面優勢很大 除了進出豎井所在的位置 隧道上方的水面幾乎不受任何影響 儘管做了詳細的地質研究 TBM掘進時工程師們 還是常會遇到地質意外 然而在ITT工法中 由於溝槽已經挖好 工程師對地層情況瞭如指掌 首先 城管技術早已是成熟的隧道施工方法 應用歷史也很長 港珠澳大橋6.7公里長的城管隧道 釜山聚集跨海通道 泰德烏連姆斯隧道 龍洞隧道 以及正在建設的德國和丹麥之間的 費馬恩海峽跨海通道 都是其中的代表